DE3902582A1 - Verfahren zur lokalen verkehrsdatenerfassung und -auswertung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Verkehrsdatenerfassung und -auswertung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Verfahren bzw. Vorrichtungen dieser Art werden beispielsweise zur Überwachung bzw. Steuerung oder statistischen Erfassung des Verkehrsflusses auf Autobahnen, Überlandstraßen und/oder im innerstädtischen Bereich eingesetzt. Möglich ist auch ihr Einsatz im Bereich des spurgebundenen Verkehrs, beispielsweise für Eisenbahnen, oder in der automatisierten Lagerhaltung oder im Bereich der industriellen Fertigung, beispielsweise zur Überwachung und Steuerung von automatisierten Fertigungsstraßen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine möglichst zuverlässige, genaue und schnelle Verkehrsdatenerfassung und -auswertung möglich ist.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 beschrieben. In den übrigen Ansprüchen sind vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie bevorzugte Anwendungen beschrieben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren am Beispiel eines überregionalen Systems zur Überwachung bzw. Steuerung des Verkehrsflusses im Straßenverkehr, insbesondere auf Autobahnen, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Übersichtsbild eines solchen überregionalen Systems zur Überwachung bzw. Steuerung des Verkehrsflusses auf Autobahnen.

Fig. 2 ein Übersichtsbild einer vorteilhaften Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der mehrere dieser Vorrichtungen gleicher Art miteinander kombiniert sind.

Fig. 3 ein detaillierteres Blockschaltbild einer der kombinierten Vorrichtungen gemäß Fig. 2.

Fig. 4 einen Straßenausschnitt mit einem Fahrzeug und einer Schilderbrücke und mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 3.

Fig. 5 einen vertikalen Schnitt durch das Strahlungsfeld des Radarsensors der Vorrichtung gemäß Fig. 4.

Fig. 6 ein detaillierteres Blockschaltbild der Einrichtung zur Digitalen Signalverarbeitung der Vorrichtung gemäß Fig. 3.

Fig. 7 eine vorteilhafte weitere Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 3, bei der zusätzlich Informationen über die Bewegungsrichtung der überwachten Objekte übertragen und ausgewertet werden.

Das überregionale System zur Überwachung bzw. Steuerung des Verkehrsflusses, beispielsweise auf Autobahnen in Fig. 1, enthält eine Reihe von Vorrichtungen 1, die auf ausgewählten Punkten des Autobahnnetzes (beispielsweise im Bereich von Autobahnkreuzen oder -dreiecken oder im Bereich von Autobahnauf- und -abfahrten) verteilt sind und dort den lokalen Verkehrsfluß überwachen, und zwar vorteilhafterweise für jede Fahrspur gesondert. Hierbei kann es sich um konventionelle Überwachungsvorrichtungen in, wie z. B. Induktionsschleifen, oder aber vorteilhafterweise um Vorrichtungen 1 a gemäß einer früher angemeldeten, aber zum Zeitpunkt der Anmeldung noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung P 38 10 357.5 des Anmelders handeln, die neben der Überwachungsfunktion im Prinzip auch die Übertragung von Informationen an die Verkehrsteilnehmer übernehmen können.

Die in einem bestimmten örtlichen Teilbereich des Autobahnnetzes stationierten Überwachungsvorrichtungen 1 sind über eine Datenübertragungseinrichtung 2, in dem Beispiel in Form eines Busses (RS 485) mit Protokoll gemäß IEC/TC 57, mit einer für diesen Teilbereich zuständigen lokalen Streckenstation 3 verbunden, die im wesentlichen aus einem Steuermodul 30 besteht, das beispielsweise über eine V.24-Schnittstelle mit einem Modem 31 verbunden ist und an das zu Konfigurations- oder Testzwecke z. B. über eine weitere V.24- Schnittstelle ein Computer (z. B. ein Personalcomputer) bzw. Terminal 32 anschließbar ist.

An die Datenübertragungseinrichtung 2 können weiterhin Wechsel-Verkehrszeichen 8 angeschlossen sein, die z. B. aufgrund der von der Vorrichtungen 1 erfaßten und ausgewerteten Verkehrsinformationen von der zuständigen lokalen Streckenstation 3 über die Datenübertragungseinrichtung 2 die der Verkehrssituation angepaßten amtlichen Verkehrszeichen und/oder Informationen für die Verkehrsteilnehmer anzeigen. Weiterhin können an diese Datenübertragungseinrichtung 2 weitere Sensoren 9 angeschlossen sein, die die meteorologischen Daten für diesen Teilbereich des Autobahnnetzes erfassen und der Streckenstation 3 weitermelden, wie z. B. Angaben über die Sichtweite, Temperatur, Wind, Niederschlag, Schnee, Glatteis, Nässe usw.

Die Streckenstationen 3 der einzelnen Teilbereiche des Autobahnnetzes sind in der nächsthöheren Stufe über eine weitere Datenübertragungseinrichtung 4, z. B. über das bereits installierte Autobahn-Telefonnotrufnetz, mit regionalen Unterzentralen 5 verbunden, die ihrerseits in der nächsthöheren Stufe über eine weitere Datenübertragungseinrichtung, z. B. das öffentliche Telefonnetz, mit einer Zentrale 7 verbunden ist.

Durch diese hierarchische Gliederung in mehrere Stufen ist sichergestellt, daß bei Ausfall einzelner Komponenten oder Übertragungsleitungen des Systems die anderen Komponenten ungestört oder nur mit geringen Beeinträchtigungen weiterarbeiten können.

In einer ersten Ausbaustufe wird mit einem solchen überregionalen System zur Überwachung bzw. Steuerung im wesentlichen bezweckt:

• - den Verkehrsfluß (Durchschnittsgeschwindigkeit, Zahl und Art der Fahrzeuge) und die meterologischen Verhältnisse (Sichtweite, Temperatur, Wind, Niederschlag/ Schnee, Glatteis/Nässe usw.) insbesondere an kritischen Punkten des Autobahnnetzes zu überwachen;
• - die erfaßten Daten sofort an die zuständige regionale Unterzentrale 5 weiterzuleiten, beispielsweise über das parallel zum Autobahnnetz verlegte Autobahn-Telefonnotrufnetz;
• - aufgrund der Auswertung dieser Daten die Wechsel-Verkehrszeichen in den betreffenden Teilbereichen des Autobahnnetzes entsprechend durch die zuständige regionale Unterzentrale anzupassen bzw. über die die Verkehrszeichen erzeugenden Anlagen zusätzliche Hinweise und Informationen für die Verkehrsteilnehmer zu geben, wie z. B. Hinweise auf Verkehrsstaus, Baustellen, Unfälle usw.

Darüber hinaus können die regionalen Unterzentralen aktuelle Verkehrszustandsberichte an die Rundfunkstationen senden, die diese über den Verkehrsrundfunk unverzögert an die Verkehrsteilnehmer weitergeben. In einer weiteren Ausbaustufe könnten diese Informationen über die lokalen Vorrichtungen 1 direkt an die Verkehrsteilnehmer übermittelt werden.

Die Kommunikationsprozeduren zwischen den einzelnen Teilen des Systems und die Protokolle sind dabei zweckmäßigerweise in Übereinstimmung mit der IEC/TC 57 definiert.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 1 a gemäß P 38 10 357.5 zur lokalen Überwachung des Verkehrsflusses. Sie besteht aus mehreren Einzelvorrichtungen 10₁, 11₁, 12₁ - 10₈, 11₈, 12₈ jeweils zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Indizes 1 und 8 beispielhaft acht solche Einzelvorrichtungen andeuten sollen. Eine solche Einzelvorrichtung überwacht jeweils eine Fahrspur und besteht jeweils aus

• - einem Radarsensor 10₁ bzw. 10₈, der in einer Höhe h beispielsweise an einem Mast an der Seite der Autobahn oder an einer Verkehrsschilderbrücke angebracht sein kann und unter einem bestimmten vertikalen Anstellwinkel α herab auf die Verkehrsteilnehmer gerichtet ist (vgl. auch Fig. 4);
• - einer Übertragungseinrichtung 11₁ bzw. 11₈, die einerseits die Stromversorgungsleitungen für den Radarsensor 10₁ bzw. 10₈ führt und andererseits die Ausgangssignale D₁ bzw. D₈ des Radarsensors 10₁ bzw. 10₈ an eine Auswerteeinheit 12₁ bzw. 12₈ überträgt, wobei die Auswerteeinheit 12₁ bzw. 12₈ die Ausgangssignale D₁ bzw. D₈ des Radarsensors 10₁ bzw. 10₈ auswertet und daraus die aktuellen Verkehrsdaten bestimmt (Geschwindigkeit, Durchschnittsgeschwindigkeit, Fahrzeuglänge, Fahrzeugabstand, Fahrzeugart usw.).

In dem Ausführungsbeispiel sind acht solcher Einzelvorrichtungen 10-12 _1-8 ausgangsseitig über einen gemeinsamen Standard-ECB-Bus 13 (zusätzlich sind auch die jeweiligen Übertragungseinrichtungen 11₁-11₈ direkt an diesen Bus 13 angeschlossen) mit einem Datenkollektor 14, beispielsweise einem Mikrocomputer, verbunden, dessen Aufgabe neben der Datenspeicherung vor allem in der Steuerung bzw. Überwachung der acht Einzelvorrichtungen (Datenüberwachung, Fehlerkontrolle usw.) und in der Kommunikation mit dem Steuermodul (30 in Fig. 1) der zugehörigen Streckenstation (3 in Fig. 1) besteht. Außerdem kommen die regionalen Unterzentralen (5 in Fig. 1) oder die Zentrale (7 in Fig. 1) über die zuständige Steuereinrichtung (3 in Fig. 1) Befehle, neue Parameterwerte usw. an den Datenkollektor 14 senden, der diese Informationen analysiert und sie entsprechend an eine, mehrere oder alle Einzelvorrichtungen 10₁, 11₁, 12₁ . . . 10₈, 11₈, 12₈ weiterleitet.

In einer weiteren Ausführungsstufe können darüber hinaus lokal oder zentral erzeugte Informationen über die Einzelvorrichtungen 10₁ . . . 12₈ direkt an die Verkehrsteilnehmer weitergeleitet werden (beispielsweise Informationen über Verkehrsstaus, Umleitungsmöglichkeiten, Gefahrenstellen, Baustellen usw.).

Außerdem kann an den ECB-Bus 13 ein zusätzlicher Speicher 15 angeschlossen werden, in dem die in den Einzelvorrichtungen 10₁ . . . 12₈ erzeugten Daten gespeichert werden können. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn eine solche Vorrichtung 1 a nicht als Teil eines überregionalen Systems, sondern als unabhängiges "autarkes" mobiles Einzelsystem eingesetzt wird, beispielsweise zur Verkehrszählung an einer innerstädtischen Straßenkreuzung.

Fig. 3 zeigt als Blockschaltbild den prinzipiellen Aufbau einer vorteilhaften Einzelvorrichtung 10₁ . . . 12₁ gemäß Fig. 2 im Detail.

Als Radarsensor 10 ist ein Millimeterwellen-Sende/Empfangsgerät vorgesehen, das aus einem lokalen Oszillator 100₁, einem Kopplungsnetzwerk 101₁, einem Duplexer 102₁, einem Mischer 103₁ sowie einer Sende/Empfangsantenne 104₁ besteht.

Das Gerät sendet über die Antenne 104₁ ein kontinuierliches unmoduliertes sinusförmiges Millimeterwellensignal des lokalen Oszillators 100₁ mit der Frequenz f₀=61,25 GHz aus und empfängt über die Antenne 104₁ einen Teil der von den den Radarstrahl passierenden Fahrzeugen reflektierten Signale, die wegen des Dopplereffekts eine Frequenzverschiebung erfahren haben. Durch direktes Mischen eines solchen Signals mit einem über das Kopplungsnetzwerk 101₁ ausgekoppelten Teils des ausgesandten Signals wird in dem Mischer ein erstes Ausgangssignal D₁ mit der Differenzfrequenz, ein sog. Dopplerecho oder Dopplersignal, erzeugt.

Die Frequenz f₀=61,25 GHz ermöglicht es, auf besonders vorteilhafte Weise eine hohe Absorption durch die Atmosphäre (20 dB/km) mit der Kompaktheit von Millimeterwellenbauteilen zu kombinieren. So paßt der gesamte Radarsensor 10₁ zusammen mit einem Teil 110₁ der Übertragungseinrichtung in ein würfelförmiges Gehäuse mit der Kantenlänge von etwa 15 cm.

Sender und Empfänger sind unterschiedlich polarisiert, um Cluttereffekte infolge Regen oder Schnee zu verringern. Die Sendeleistung beträgt weniger als 10 mW. Die Strahlcharakteristik hat vorzugsweise einen horizontalen bzw. vertikalen Öffnungswinkel von 3° bzw. 13° (vgl. hierzu Fig. 5, in der ein vertikaler Schnitt durch das Strahlungsfeld des Sensors gezeigt ist).

Wie Fig. 4 zeigt, ist der Sensor beispielsweise an einer Verkehrssignalbrücke in einer Höhe h (beispieslweise h≈ 5,5 m) über der zu überwachenden Fahrspur angeordnet und ist mit seinem Strahlungsfeld unter einem Anstellwinkel α (gemessen zur Vertikalen) auf die zugehörige Fahrspur gerichtet. Ein in Fig. 4 als "Objekt" bezeichnetes Fahrzeug mit der Geschwindigkeit v reflektiert einen Teil der vom Sensor 10₁ ausgesandten Strahlung in Richtung des Sensors. Im Idealfall ergibt sich die Frequenz f des Dopplerechos zu

wobei c für die Lichtgeschwindigkeit steht. Der Anstellwinkel α entspricht dabei nach den Gesetzen der Geometrie dem Winkel zwischen Radarstrahl und dem Geschwindigkeitsvektor v des den Radarstrahl passierenden Fahrzeugs.

In der Praxis ergeben sich allerdings Abweichungen von dem hier geschilderten Idealfall, z. B. in Form meßbarer Frequenzverschiebungen, die nicht auf dem Dopplereffekt beruhen, oder Amplitudenfluktuationen bis hin zur vollständigen Absorption des Signals durch die den Radarstrahl passierenden Fahrzeuge. Verursacht werden diese Effekte vor allem durch Überlappung von reflektierten Signalen, die an unterschiedlichen Stellen des Fahrzeugs mit unterschiedlicher Geometrie bzw. Reflexionscharakteristik reflektiert worden sind, bzw. durch die endliche Ausdehnung des Radarstrahlungsfeldes in Bewegungsrichtung der Fahrzeuge.

Bei der Auswahl des Anstellwinkels α müssen zwei Effekte beachtet werden, die nicht gleichzeitig optimiert werden können: eine hohe Genauigkeit für die Messung der Fahrzeuglänge und eine zuverlässige Trennung aufeinanderfolgender Fahrzeuge wird mit großen Anstellwinkeln a (Grenzfall: Strahlungsfeld ist senkrecht nach unten gerichtet) erreicht. Jedoch ist die Breite des Frequenzspektrums eines Dopplerechos i. a. umso größer (und damit die Ungenauigkeit der Frequenzmessung), je größer a ist. Dies hat nach Gleichung (1) zur Folge, daß die Genauigkeit bei der Bestimmung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs umso geringer ist, je größer der Anstellwinkel α gewählt ist oder, mit anderen Worten, je genauer die Messung der Fahrzeuglänge erfolgt.

Eine Optimierung dieser beiden gegenläufigen Effekte führt zu einem Anstellwinkel von etwa 53°. Hierbei kann das Strahlungsfeld des Radarsensors 10₁ entweder - wie in Fig. 4 dargestellt - auf die Vorderseite der Fahrzeuge gerichtet sein (positiver α-Wert) oder auf die Rückseite der Fahrzeuge (negativer α-Wert (gestrichelt in Fig. 4)). Aufgrund unterschiedlicher Abschattungsgrade durch die Fahrzeuge ergeben sich für diese beiden Ausrichtungsmöglichkeiten unterschiedliche Fehler in der Längenmessung der Fahrzeuge.

Die Übertragseinheit 11₁ in Fig. 3 besteht aus einem sensorseitigen Teil 110₁, der in Fig. 4 zusammen mit dem Radarsensor 10₁ in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist, einem Übertragungskabel 111₁, dessen Länge sich bis zu 1 - 2 km bemessen kann und das den sensorseitigen Teil 110₁ der Übertragungseinheit 11₁ mit einem auswerteeinheitsseitigen Teil 112₁ der Übertragungseinheit 11₁ verbindet (vgl. auch Fig. 4). Hierdurch ist es z. B. möglich, auch ausgedehntere Teilbereiche des Autobahnnetzes, wie z. B. Autobahnkreuze oder -dreiecke oder großräumige Auf- und Abfahrten, bei denen jeweils mehr als acht Fahrspuren überwacht werden müssen und die insgesamt somit den Einsatz von mehr als acht erfindungsgemäßen Vorrichtungen erfordern, mit einer einzigen lokalen Streckenstation (3 in Fig. 1 und 4) zu überwachen. Vorzugsweise wird über die Übertragungseinheit 11₁ auch die zum Betrieb des Radarsensors 10₁ erforderliche Betriebsgleichspannung (typ. +24 V) von der lokalen Steuerstation geliefert.

Um bei der Übertragung des Dopplerechos Dämpfungs-, Rausch- und/oder Netzbrumm-Einflüsse zu minimieren, wird das zu übertragende Dopplerecho im sensorseitigen Teil 110₁, der Übertragungseinheit mit einem Modulator 1103₁ frequenzmoduliert und nach der Übertragung im auswerteeinheitsseitigen Teil 112₁ mit Hilfe eines Demodulators 1120₁ demoduliert.

Darüber hinaus wird in einer vorteilhaften Ausführungsform in dem sensorseitigen Teil 110₁ ein Pilotsignal P₁ z. B. der Frequenz f=16 kHz den Dopplerechos D₁ hinzuaddiert und mit übertragen. In dem auswerteeinheitsseitigen Teil 112₁ der Übertragungseinrichtung 11₁ befindet sich entsprechend eine Auswerteschaltung 1121₁, die die korrekte Übertragung des Pilotsignals P₁ überprüft und im Falle eines Fehlers diesen über einen direkten Anschluß 16₁ an den zugehörigen ECB-Bus 13 dem Datenkollektor 14 meldet. Vorzugsweise wird das Pilotsignal P₁ an den vom Sensor 10₁ erzeugten Rauschsignalpegel angekoppelt, so daß bei Ausfall des Sensors 10₁ und dem damit verbundenen fehlenden Rauschsignal auch kein Pilotsignal P₁ übertragen wird und die Auswerteschaltung 1121₁ sofort eine Fehlermeldung an den Datenkollektor 14 senden kann.

Bevorzugt sind jeweils die auswerteeinheitsseitigen Teile von vier der acht zu einem Datenkollektor 14 gehörenden Übertragungseinrichtungen 11₁ . . . 11₈ auf einer Karte zusammengefaßt.

Die Auswerteeinheit 12₁ in Fig. 3 schließlich besteht aus einem Antialiasing-Tiefpaßfilter 121₁ zur Vermeidung von spektralen Überfaltungen, einem Analog/Digital-Wandler 123₁ und einer Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung 124₁. In bevorzugten Ausführungsformen ist dem Analog/Digital- Wandler 123₁ zusätzlich ein Verstärker 122₁ mit einstellbarem Verstärkungsfaktor vorgeschaltet, dessen Verstärkungsfaktor so eingestellt wird, daß trotz unterschiedlicher Anbringungshöhen der Radarsensoren 10₁ . . . 10₈ die Dopplersignale auf eine Standardhöhe normalisiert werden können.

Weiterhin ist dem Antialiasing-Tiefpaßfilter 121₁ zusätzlich ein Schalter 120₁ vorgeschaltet, der es ermöglicht, anstelle der Dopplerechos D₁ ein Testsignal T₁ in die Auswerteeinheit 12₁ einzuspeisen, das vorteilhaft in der Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung 124₁ erzeugt wird, und mit dem die Auswerteeinheit 12₁ einem Selbsttest unterzogen werden kann. Der Ausgang der Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung 124₁ ist mit dem ECB-Standardbus verbunden.

Die vorteilhafte Ausführungsform der Auswerteeinheit 12₁ in Fig. 6 schließlich enthält neben dem Umschalter 120₁ zur Einspeisung des Testsignals T₁ anstelle des Dopplerechos D₁ das Antialiasing-Tiefpaßfilter 121₁, vorzugsweise in Form eines Digitalfilters (z. B. Schalter/Kondensatorfilter), sowie den Verstärker 122₁ mit einstellbarem Verstärkungsgrad, den Analog/Digitalwandler 123₁ und die Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung 124₁. Die Besonderheit dieser Anordnung liegt zum einen darin, daß über einen Taktgeber 125₁ die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 121₁ und die Abtastrate des Analog/Digitalwandlers 123₁ an den vorherrschenden Geschwindigkeitsbereich angepaßt werden kann, und zum anderen darin, daß ein zusätzliches Signal R₂ in die Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung 124₁ eingespeist wird, das aus einem weiteren Dopplerecho R₁ abgeleitet wird und als Information die Bewegungsrichtung der Fahrzeuge enthält.

Die Einrichtung 124₁ zur digitalen Signalverarbeitung besteht aus vier miteinander vernetzten, digitalen Signalprozessoren 1240-1243 (z. B. NEC 7720), die parallel arbeiten, sowie einem Adapter 1244 für den Anschluß der Signalprozessoren 1240-1243 an den ECB-Standardbus 13, einem Taktgeber 1245 zur Erzeugung eines Testsignals, einem Alarmgeber 1246 zum Melden von Fehlern z. B. an eine Leuchtdiode auf der Frontplatte der Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung und/oder an den Datenkollektor (14 in Fig. 2) und eine Schaltung 1247 zur Kompensation der Abweichung des tatsächlich eingestellten Anstellwinkels α von dem optimalen Anstellwinkel von etwa 53°.

Die Vorrichtung gemäß P 38 10 357.5 in Fig. 7 unterscheidet sich von der Vorrichtung in Fig. 3 dadurch, daß

• 1) der Mischer im Radarsensor zwei Dopplersignale D₁ und R₁ liefert, deren Phasenlage zueinander Auskunft gibt über die Fahrt- bzw. Bewegungsrichtung des Objekts. Dazu wird für jede Schwingung des Dopplersignals D₁ in einem Phasenvergleicher 1105₁ ein Phasenvergleich mit R₁ durchgeführt und das Ergebnis ("voreilend" bzw. "nacheilend") als 1-Bit-Signal codiert und über eine zusätzliche Ader 1111₁ im Übertragungskabel 111₁ zu der Auswerteeinheit 12₁ übermittelt;
• 2) das zu übertragende und auszuwertende Dopplersignal durch Summation aus den beiden phasenverschobenen Dopplersignalen D₁ und R₁ gewonnen wird (D₁ + R₁).

Das Verfahren läuft wie folgt ab: Das im Radarsensor 10₁ erzeugte (analoge) Dopplerecho wird in dem sensorseitigen Teil der Übertragungseinheit 110₁ zunächst in einem Verstärker 1100₁ verstärkt, in einem Bandpaßfilter 1101₁ gefiltert, in einem Addierer 1104₁ mit dem Pilotsignal P₁ versehen und im Modulator 1103₁ frequenzmoduliert. Nach der Übertragung wird das frequenzmodulierte Signal demoduliert und im Tiefpaßfilter 121₁ von den übrigen Signalen (z. B. dem Pilotsignal P₁) separiert bzw. nach Verstärkung im Verstärker 122₁ im Analog/Digitalwandler 123₁ digitalisiert und in die Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung 124₁ eingespeist.

Erfindungsgemäß wird in dieser Einrichtung 124₁ aus diesen digitalisierten Dopplerechos D₁ das Frequenzspektrum entweder durch Autokorrelation des Dopplerechos D₁ mit anschließender Spektraltransformation oder durch Relaiskorrelation des Dopplerechos D₁ mit anschließender Spektraltransformation und vorteilhaft durch direkte Spektraltransformation gebildet, wobei die Spektraltransformation mit einem nichtlinearen Schätzverfahren, durchgeführt wird. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, ein nichtlineares Schätzverfahren einzusetzen, das auf einem AR-Modell oder ARMA-Modell basiert.

Anschließend wird in diesem Spektrum die Frequenz mit maximaler Amplitude bestimmt und aus dieser Frequenz unter Zuhilfenahme der Gleichung (1) die Geschwindigkeit des Fahrzeugs abgeleitet.

In der Praxis ergeben sich mit f₀=61,25 GHz, c=300 000 km/h und Geschwindigkeit v<207 km/h ein Frequenzbereich der Dopplerechos D₁ von 0 bis etwa 14,25 kHz,was nach dem Abtasttheorem eine Mindest-Abtastrate des Analog/Digital- Wandlers 123₁ von 28,5 kHz erfordert (vorzugsweise 32 kHz).

Die Dynamik des Dopplerechos hängt von der Entfernung zwischen Radarsensor und dem reflektierenden Gegenstand ab, also dem Fahrzeug, und vom effektiven radarempfindlichen Wirkungsquerschnitt der zu registrierenden Fahrzeuge. Typisch kann ein Dynamikbereich von ca. 60 dB erwartet werden.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, wie z. B. dem Zählen von Nulldurchgängen beim Dopplerecho oder dem Messen der Periodendauer über mehrere Schwingungen hinweg, ist durch die hier verwendeten Verfahren sichergestellt, daß Signalbereiche mit relativ kleinem Signal/Rausch-Verhältnis nicht das Meßergebnis verschlechtern, da z. B. eine Korrelation berechnet wird und die tatsächliche Dopplerfrequenz diejenige Frequenz mit der maximalen Amplitude im Spektrum ist, woraus mit Gleichung (1) die Geschwindigkeit des Fahrzeugs abgeleitet werden kann.

Für den Fall, daß der tatsächliche Winkel α des installierten Radarsensors von dem optimalen Winkel α=53° abweicht, muß die berechnete Geschwindigkeit entsprechend korrigiert werden (mit ca. 2,3% für eine Abweichung von ca. 1°). Um dies berücksichtigen zu können, wird die Abweichung vorteilhafterweise nach der Installation des Sensors gemessen und durch entsprechende Einstellung der Winkelkompensationsschaltung 1247 in der Einrichtung 124₁ zur digitalen Signalverarbeitung kompensiert.

In einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wird zur Bestimmung der Bewegungsrichtung der Fahrzeuge ein zusätzliches Dopplerecho erzeugt, das gegenüber dem ersten Dopplerecho phasenverschoben ist. Für jede Periode der beiden Signale wird die Phasenlage der beiden Signale verglichen und die für jede Periode ermittelte Phasenlage anschließend jeweils mit einem Bit codiert. In der Einrichtung 124₁ zur digitalen Signalverarbeitung wird anschließend aus der Folge der einzelnen Bits in dem Signalprozessor 1240 die Bewegungsrichtung der Fahrzeuge abgeleitet.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden außerdem der Anfang und das Ende der einzelnen Dopplerechos bestimmt, u. a. um aus der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und aus der Dauer des damit verbundenen Dopplerechos die Länge des Fahrzeugs abzuleiten.

Die Signaldauermessung basiert auf der Messung der Einhüllenden des Dopplersignals, wobei vorteilhaft in einem zeitlich sich verschiebenden Fenster der Betragsmittelwert des Dopplerechos bestimmt wird und dieser Wert jeweils mit einem ersten und zweiten Schwellenwert verglichen wird. Überschreitet der Wert zu einem Zeitpunkt erstmalig den ersten Schwellenwert, so wird damit der Beginn des Dopplerechos festgelegt bzw. definiert; unterschreitet der Wert zu einem späteren Zeitpunkt den zweiten Schwellwert, so wird damit das Ende des Dopplerechos festgelegt bzw. definiert. Zwischenzeitliche kurzzeitige Unterschreitungen des zweiten Schwellenwertes innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer Ta infolge ungünstiger Reflexionsbedingungen beim Fahrzeug (kein Reflexionsanteil in Richtung Sensor; vollständige Absorption der Radarstrahlung durch den Gegenstand usw.) werden in einer vorteilhaften Fortbildung des Verfahrens nicht als Signalende gewertet. Besonders vorteilhaft ist es, die erlaubte Unterschreitungsdauer Ta an die bis dahin ermittelten mittleren Werte der Geschwindigkeit und/oder Signaldauer und/oder Signalamplitude anzupassen. Darüber hinaus kann die Höhe der Schwellenwerte an den jeweils vorherrschenden Rauschpegel angepaßt werden (beispielsweise Erhöhung der Schwellenwerte bei starkem Regen oder bei Schneefall), um die Zahl der Fehldetektionen zu verringern. Auch können die beiden Schwellenwerte in ihrer Höhe unterschiedlich gewählt werden. Anstelle des Betragsmittelwertes des Dopplerechos kann auch die in dem Fenster anfallende Energie als Bezugsgröße gewonnen werden.

Wie weiter oben bereits erwähnt, ist es möglich, aus Geschwindigkeit des Fahrzeugs und Signaldauer des damit verbundenen Doppelerechos gemäß der Gleichung

L = v · T (2)

die Länge des Fahrzeugs zu bestimmen, wobei L die Länge, v die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und T die Signaldauer des Dopplerechos D₁ ist. Dieses Ergebnis berücksichtigt allerdings nicht die endliche Ausdehnung des Radarflecks in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs. Der tatsächlich vorliegende Radarfleck hängt u. a. von der Höhe des Fahrzeugs und von der Höhe der Schwellenwerte ab. Statistische Messungen an einer Vielzahl von Fahrzeugen führten zu einem Mittelwert von 80 cm, der sich im wesentlichen mit dem theoretischen Wert gemäß Fig. 4 deckt. Diese Radarfleckausdehnung (experimentell und/oder theoretisch bestimmt) wird in einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens bei der Bestimmung der Länge L und der Signaldauer T berücksichtigt.

Aufgrund der bisher bestimmten Werte (v, T, L) und weiterer Informationen (momentaner Rauschpegel, Signalenergie, statistische Parameter zum bisherigen Signalverlauf) kann anschließend eine Klassifikation der Signale durchgeführt werden, um Fehldetektionen, z. B. infolge von starkem Regen oder Schneefall, auf ein Mindestmaß zu reduzieren.

Um in einem weiteren Schritt eine Unterscheidung zwischen LKW und PKW auf der Basis der Fahrzeuglänge und/oder Signalamplitude treffen zu können, ist es von Vorteil, die unterschiedlichen Installations- oder Anbringungshöhen der einzelnen Radarsensoren mit Hilfe der Verstärker 122₁ in den Auswerteeinheiten 12 zu kompensieren und die Berechnungen auf der Basis einer normalisierten Installationshöhe durchzuführen.

Der schräge Einfall des Radarstrahlungsfeldes führt zu einem unerwünschten Abschattungseffekt bei den Fahrzeugen (insbesondere bei LKWs), der die tatsächliche Länge des Fahrzeugs verfälscht. Dieser Effekt kann in den Berechnungen durch einen Korrekturwert kompensiert werden, der zweckmäßigerweise empirisch aus Messungen an einer möglichst großen Zahl von Fahrzeugen statistisch ermittelt wird und der vorteilhaft mit dem Korrekturwert für die endliche Ausdehnung des Radarflecks zu einem gemeinsamen Korrekturwert zusammengefaßt wird.

Zur Verbesserung der Signalauswertung können beim verwendeten nichtlinearen Schätzverfahren die Eingangsdaten zusätzlich mit einer Fensterfunktion gewichtet werden, beispielsweise um die im mittleren Bereich des Fensters liegenden Stützpunkte gegenüber den am Rand liegenden Stützpunkten bei der Berechnung stärker zu berücksichtigen ("Windowing").

Im einzelnen nehmen die vier Signalprozessoren 1240-1243 in Fig. 6 folgende Aufgaben wahr:

• a) Signalprozessor 1240:
  - Auswertung des Rauschpegels
  - Messung der Einhüllenden des Dopplerechos
  - Bestimmung der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs
• b) Signalprozessor 1241:
  - Spektraltransformation des Dopplerechos
  - "Windowing" durch ein nichtlineares Schätzverfahren
• c) Signalprozessor 1242:
  - spektrale Mittelung der durch die FFT Spektraltransformation erhaltenen Frequenzspektren
  - Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit
  - Bestimmung der Fahrzeuglänge
  - Unterdrückung von Clutter infolge Regen und/oder Schnee
  - Kompensation der Abweichung des eingestellten Anstellwinkels α vom optimalen Anstellwinkel (α=53°)
• d) Signalprozessor 1243:
  - Fahrzeugklassifizierung
  - mittlere Geschwindigkeit der Fahrzeuge
  - Testfunktionsgewinnung mit Auswertung des Selbsttests der Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung.

Die Verwendung eines Radarsensors beinhaltet folgende Vorteile gegenüber konventionellen Lösungen (Induktionsschleifen etc.):

• 1) Installation ohne Arbeiten am Fahrbahnbelag (vgl. Schleifen) möglich;
• 2) höhere Lebensdauer, da keinerlei Abnutzung durch Verkehr;
• 3) mobile Verkehrsdatenerfassung möglich (Anbringung an Peitschenmasten bzw. Einstrahlung von der Fahrbahnseite usw.);
• 4) Einsatzmöglichkeit an Baustellen, insbesondere wenn im Zuge der Bauarbeiten die Fahrbahnbeläge zerstört bzw. die Fahrspuren verlegt werden müssen;
• 5) kein Abgleich im Betrieb ("Einmessen") bzw. keine spätere Nachjustierung erforderlich;
• 6) Erweiterbarkeit um die Kommunikation zum Fahrzeug.

Aus der vollständig digitalen Realisierung der Dopplersignal- Auswertung ergeben sich folgende Vorteile:

• 1) sehr hohe Genauigkeit bei der Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit;
• 2) sichere Signalklassifikation durch Einbeziehung von Zeit-, Frequenz- und Amplitudenkriterien;
• 3) Reproduzierbarkeit der Ergebnisse;
• 4) keinerlei Justierungsarbeiten infolge Alterung oder Temperaturdrift und somit geringer Wartungsaufwand;
• 5) Einbeziehung von intelligenten Überwachungs- und Kontrollfunktionen;
• 6) einfache Anpassung an spezielle Anwendungen durch Modifikation der Abtastrate und Änderung von Auswerte- oder Ausgabeprogrammen; keine Hardware-, ggf. nur Softwareänderungen erforderlich;
• 7) Möglichkeit zur Übernahme von Steuerparametern oder Entscheidungskriterien der übergeordneten Instanzen in die Auswertung.

Aus der gewählten und beschriebenen Systemkonfiguration, bestehend aus Radarsensor, Übertragungseinheit, digitaler Signalverarbeitungseinheit und Datenkollektor, ergeben sich weiterhin folgende Vorteile:

• 1) Einsetzbarkeit als autarkes System (mit lokalem Speicher) oder als Teil eines Netzes;
• 2) große Entfernungen von der Streckenstation zum Anbringungsort des Sensors sind erlaubt, d. h. die Anzahl erforderlicher Streckenstationen mit Netzversorgung kann verringert werden;
• 3) Überwachung und Kontrolle aller Systemkomponenten vom Datenkollektor aus.

Es versteht sich, daß mit fachmännischem Können und Wissen die Erfindung aus- und weitergebildet sowie an die unterschiedlichen Anwendungen angepaßt werden kann, ohne daß dies hier an dieser Stelle näher erläutert werden müßte.

So ist es z. B. denkbar, mit anderen Signalprozessoren eine andere Signalprozessorkonfiguration zu schaffen, die die gleichen Aufgaben löst wie die in Fig. 6 gezeigte Konfiguration.

Weiterhin ist es möglich, zur Unterdrückung von Clutter und/oder anderen Rauschsignalen in regelmäßigen Abständen Dopplerechos auszuwerten, die nicht aufgrund von Reflexionen an Fahrzeugen erzeugt worden sind, und die erhaltenen Frequenzspektren von den Frequenzspektren zu substrahieren, die aufgrund von Reflexionen an Fahrzeugen gewonnen worden sind.

Schließlich ist es denkbar, für gängige Fahrzeugtypen den zeitlichen Verlauf der zugehörigen Dopplerechos ("Pattern") in einem zusätzlichen Speicher der Einrichtung 124₁ zur digitalen Signalverarbeitung zu speichern und die gemessenen zeitlichen Verläufe der Dopplerechos mit diesen gespeicherten Pattern zu vergleichen, um zum einen eine Fahrzeugtypidentifikation zu ermöglichen und um zum anderen die Zahl der Fehldetektionen infolge kurzzeitiger Einbrüche des Dopplerechos innerhalb der Signaldauer weiter zu vermindern.

Claims (9)

1. Verfahren zur lokalen Verkehrsdatenerfassung und -auswertung mittels einer Vorrichtung, welche einen Radarsensor, eine Übertragungseinrichtung und eine Auswerteeinheit enthält, wobei der Radarsensor und die Auswerteeinheit über die Übertragungseinrichtung miteinander verbunden sind, und wobei der Radarsensor ein kontinuierliches Signal konstanter Frequenz und Amplitude unter einem festen vertikalen Anstellwinkel α aussendet und, sobald ein sich bewegendes Objekt den Radarstrahl mit einer Geschwindigkeitskomponente in Strahlrichtung passiert, einen Teil des am Objekt reflektierten und aufgrund des Dopplereffektes frequenzverschobenen Signals empfängt und durch Mischung der beiden Signale ein erstes Ausgangssignal mit der Differenzfrequenz erzeugt, und wobei die Auswerteeinheit ein vorgeschaltetes Tiefpaßfilter zur Vermeidung von spektralen Überfaltungen, einen Analog/Digital-Wandler und eine nachgeschaltete Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung (124₁) das Frequenzspektrum des ersten Ausgangssignals (D₁) durch direkte Spektraltransformation des Ausgangssignals (D₁) oder durch Auto- oder Relaiskorrelation des Ausgangssignals (D₁) und sich davon anschließender Spektraltransformation gebildet wird und anschließend in diesem Spektrum die Frequenz mit maximaler Amplitude bestimmt wird und aus dieser Frequenz die Geschwindigkeit des Objekts abgeleitet wird, und daß die Spektraltransformation mit einem nichtlinearen Schätzverfahren durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schätzverfahren auf einem AR- oder ARMA-Modell basiert.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung (124₁) der Betragsmittelwert des ersten Ausgangssignals (D₁) in einem zeitlich sich verschiebenden Fenster bestimmt wird und dieser Betragsmittelwert jeweils mit einem vorgegebenen ersten und zweiten Schwellenwert verglichen wird und daß ein erstmaliges Überschreiten des ersten Schwellenwertes durch den Betragsmittelwert als Beginn des ersten Ausgangssignals (D₁) und ein nachfolgendes Unterschreiten des zweiten Schwellenwertes durch den Betragsmittelwert als Ende des ersten Ausgangssignals (D₁) festgelegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein ein- oder mehrmaliges kurzzeitiges Unterschreiten des zweiten Schwellenwertes durch den Betragsmittelwert innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer Ta bei der Festlegung des Endes des ersten Ausgangssignals (D₁) nicht berücksichtigt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erlaubte Unterschreitungszeitdauer Ta an die bis dahin ermittelten mittleren Werte der Geschwindigkeit und/oder Signaldauer und/oder Signalamplitude angepaßt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der beiden Schwellenwerte an den jeweils vorherrschenden mittleren Rauschpegel angepaßt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwellenwerte in ihrer Höhe unterschiedlich gewählt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Anwendung in einem regionalen, nationalen oder multinationalen Verkehrserfassungs- und/oder -leitsystem (2-9) oder in einem autonomen, lokalen Verkehrserfassungs- und/oder -leitsystem.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im sensorseitigen Teil der Übertragungseinrichtung dem ersten Ausgangssignal (D₁) ein Pilotton überlagert wird, sofern der Rauschpegel am Sensorausgang einen bestimmten dritten Schwellenwert überschreitet, und im auswerteeinheitsseitlichen Teil der Übertragungseinrichtung die Anwesenheit des Pilottons überprüft wird und das Ergebnis dieser Prüfung an die Auswerteeinheit weitergeleitet wird.